25-27 Mıs 2006, Isparta KONUTLARI LPG, JEOTERMAL ISI POMPASI VE GÜNEŞ ENERJİSİ SEÇENEKLERİ İLE ISITMANIN EKONOMİK ANALİZİ Umran SERPEN ve Yıldır PALABIYIK İTÜ Petrol ve Doğal Gaz Müh. Böl. Maslak, Istanbul serpen@itu.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, konut ısıtmasında kullanılabilecek alternatif sistemlerin ekonomik yönü incelenmiştir. Bu bağlamda; doğal gaz, LPG yakıt kullanımıyla, güneş enerjisi ve ısı pompası kullanımları dikkate alınmıştır. Sonuç olarak, kısa dönemde doğal gazla ısıtma en ekonomik sistem olarak belirlenmiştir. Sistemler arasındaki ekonomik farklılaşma yanında, bu sistemlerin çevre etkileri de irdelenerek, bunların ısıtma ekonomisi üzerindeki tesirleri konusunda yorum getirilmiştir. Anahtar Sözcükler: Ekonomi, Isı Pompası, Güneş Enerjisi, Doğal Gaz, LPG. ABSTRACT In this study, economics of alternative systems utilized for space heating purposes are investigated. In this connection, the usage of natural gas, liquid petroleum gas (LPG), solar energy supported systems and heat pump are taken into account. Economical analysis of these systems indicated that in short term, heating with natural gas is the most economical system. Finally, beside the economical differences between the heating systems, environmental effects of these systems are examined and the results are reported. Key Words: Economy, Heat pump, Solar Energy, Natural Gas, LPG 1. GİRİŞ Konutlarımızın ısıtılması için çeşitli yakıtları kullanan ısıtma sistemleri vardır. Bu çalışmada konut ısıtmacılığında kullanılan 4 farklı sistem incelenmiştir. Bunlar doğal gaz ve LPG kullanan kombiler, jeotermal ısı pompası ve güneş enerjisi destekli doğal gaz ısıtmasıdır. Bu dört ısıtma sistemi Istanbul un Karadeniz kıyısındaki bağımsız 240 m 2 lik bir konutun ısıtılması amacıyla incelenmiştir. Her bir ısıtma sistemi için, rı rı sistem tasarımı yapılmış ve tasarlanan sistem özelliklerine danarak, ilk yatırım maliyeti, yakıt maliyeti ve işletme maliyetleri hesaplanmıştır. Bu çalışmanın ilk aşaması 1999 yılında gerçekleştirilmiş [1] ve o zaman bölgede doğal gaz bulunmadığından LPG, ısı pompası ve destekli güneş enerjisi gibi enerji knakları
25-27 Mıs 2006, Isparta incelenerek karşılaştırılmıştı. Ekonomi dikkate alındığında; güneş enerjisi destekli sistem, ısı pompası ve LPG kullanan kombi şeklinde bir sıralanma orta çıkmıştı. 2. ISITMA İÇİN GEREKLİ ISI MİKTARI Kilyos ta bulunan bu konutun ısıtılması için gerekli ısı miktarı Derece-Gün [2] yöntemi ile hesaplanmıştır. Bu yöntemde herhangi bir binanın yıllık ısıl gereksinimlerini saptabilmek için, ısıtmanın yapıldığı dönemlerde hava sıcaklığındaki günlük değişimlerin ve bu değişimlere bağlı olarak binanın günlük ısıl yükünün belirlenmesi gerekir. Konutun ısı gereksinimleri derece-gün yöntemi kullanılarak hesaplanırken, konutta ısıtmı gerektirmeyen sıcaklık olarak 18.7 o C alınmıştır. Belirli bir zaman için derece-gün değerleri, o dönemi oluşturan günlerin rı rı hergün için bulunan derece-gün değerlerinin toplamına eşittir. Istanbul un kuzeyi için derece-gün değerleri Çizelge 1 de verilmektedir. Toplam derece-gün değeri 2417 iken, en soğuk olan Ocak ının derece-gün değeri 428 olmaktadır. Çizelge 1. Istanbul Kuzeyi için Derece-Gün Değerleri[2]. Sarıyer 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Derece- Gün 428 395 399 265 130 0 0 0 24 131 299 346 Doğal gazla ısıtma için, konut başına gerekli ısı miktarını hesaplamak için aşağıdaki Denklem 1 kullanılmıştır [3]: Q UA 365 To Th DG n 1 y (1) Burada: = Yıllık ısı miktarı, kcal, Q UA = Konutun ortalama ısı kbı katsısı, kcal/( o C-gün), DG y = Yıllık derece-gün değeri, o C-gün To = Isıtma gereksinimi duyulman en düşük sıcaklık, 18.7 o C, Th = Ortalama günlük sıcaklık, o C. Jeotermal ısı pompası için ise tepe yükü dikkate alınmış ve en soğuk olan Ocak ına göre ısı gereksinimi hesaplanmış ve 2 No. lu denklem kullanılmıştır [3]: Q = UA * DG (2) Burada: Q = Aylık ısı tüketimi, kj,
25-27 Mıs 2006, Isparta UA = Konutun ortalama ısı kbı katsısı, kj/( o C-st) DG = En soğuk ın derece-gün değeri, o C-gün Başlangıçta [1], yukarıdaki denklemler kullanılarak LPG ve Isı pompası için ısı gereksinimi hesapları yapılmıştır. Geçen zaman içinde bölgeye doğal gaz ulaşması yanında, güneş enerji ve ısı pompası sistemlerinde teknolojik gelişmeler kdedilmiştir. Ayrıca, örnek konutun ısıtılması için denklemler kullanılarak tahmin edilmiş LPG ve doğal gaz miktarları, gerçek kullanım değerleri elde edilerek, güncellenmiştir. Eldeki kıtlara göre 2003-2005 yılları arasında 240 m 2 lik evlerde ortalama 1000 m 3 LPG kullanılmıştır. Doğal gaz 2005-2006 ısıtma sezonu başında gelmiş olup, bu yıl nı konut için tüketimin 2800 m 3 civarında olacağı tahmin edilmektedir. Gerçekleştirilecek ekonomik analizde, daha önce tahmin edilmiş değerler yerine yukarıda belirtilen gerçek değerler kullanılacaktır. 3. ALTERNATİF ISITMA SİSTEMLERİ Güneş Destekli Isınma Konut ısıtmasına destek ve sıcak su temini için, 6 adet yüksek verimlilikli (%85) güneş kollektörüne, 300 lt lik termosifon tip sıcak su boyleri, 1500 lt kapasiteli termosifon tipi ısı desteği boylere gereksinim olduğu, uygulanan simülasyon sonucu belirlenmiştir. Kullanılan simülatörün [4] sonuçları Almanya da teşvik almak için resmi belge olarak kabul edilmektedir. Sistem otomatik kontrol düzenekleri yanında, rıca, 25 kw lık bir doğal gaz ısıtıcısı içermektedir. Bu şekilde tasarlanan sistemde toplam (sıcak su ve ısıtma) güneş enerjisi katkısı %33 civarında olmuştur. Bunun da detlarına inildiğinde, güneş enerjisinin sıcak su teminindeki katkısı % 84, ısıtma katkısı da % 16 olarak bulunmuştur. Sistem tasarımı için yapılan duyarlılık analizinde, daha az ve daha fazla kollektör kullanımıyla ek boyler kullanımı seçenekleri test edilmiş, ancak, güneş enerjisinin sisteme katkısındaki artış % 3 ten fazla olmamıştır. Simülasyon sonuçları Çizelge 2 de sunulmaktadır. Çizelge 2. Güneş Enerji Destekli ısıtma için Simülasyon Sonuçları[4]. Kollektör Yüzey Alanı Radyasyonu 21.61 MWh Kollektörlerin Ürettiği Enerji 9.19 MWh Kollektör Devresinin Ürettiği Enerji 8.17 MWh Sıcak Su Enerji Tedariki 3.42 MWh Isıtma Enerjisi Tedariki 16.68 MWh Sıcak Suya Güneş Enerjisi Katkısı 4.69 MWh Isıtma Güneş Enerjisi Katkısı 2.62 MWh Yardımcı Isıtıcıdan Enerji Desteği 15.02 MWh
25-27 Mıs 2006, Isparta Isı Pompası ile Isınma Örnek konutta kullanılacak ısı pompası için gerekli ısı miktarı, tepe yükü değeri olan Ocak ı ısı yüküne göre Denklem 2 den hesaplanmış ve 24 kw ısıtma kapasiteli bir ısı pompasının yeterli olacağı bulunmuştur. Isı pompası 5.5 kw lık elektrik güç harcamakta ve 55 o C çıkış sıcaklığı vermektedir. Tasarlanan sistem ısı pompası yanında ısının soğurulacağı bir kuyudan oluşmaktadır. Aynı konut için gerekli ısıyı soğuracak kuyunun derinliği 200 m olarak hesaplanmıştır. Doğal Gaz ve LPG ile Isınma Bu işlem için gerekli ısı miktarı Denklem 1 den hesaplanmakla birlikte, geçmiş yıllarda benzer konutlarda harcanan gaz verileri, diğer bir deyişle, gerçek veriler kullanılmıştır. Istanbul için denklem 1 den derece-gün yöntemiyle tahmin edilen gerekli ısı miktarından hesaplanan gaz gereksinimleri, gerçek harcanan değerlerden genel olarak %30 kadar daha az olmakta ve bunun da yapılan bazı varsımlardan knaklandığı düşünülmektedir [5]. Kilyos ta 240 m 2 lik bir konut için harcanan ortalama LPG miktarı 1000 m 3 /yıl, doğal gaz ise 2800 m 3 /yıl civarındadır. Ekonomik analizlerde bu gerçek değerler esas alınmıştır. Konutu ısıtmak için ısıtma kapasitesi 29 kw olan bir kombi kullanılmaktadır. 4. EKONOMİK ANALİZ Ekonomik analiz için ömür boyu maliyet, (life cycle costing) LCC yöntemi [6] kullanılmıştır. Bu yöntem projelerin maliyetlerini minimize etmek için tasarlanmış olup, yalnızca satın alma ve inşa etmeyi dikkate almaz ve özellikle, proje ömrü boyunca işletme maliyetlerindeki düşümleri de dikkate alır. LCC yöntemi kullanılarak yapılan analiz sonuçları Çizelge 3 te verilmektedir. Çizelge nin 2. kolonundan da gözlenebileceği gibi, ömür boyu maliyet dikkate alındığında, en ekonomik sistem doğal gazla ısıtma olarak görülmektedir. Ancak, ısı pompasının soğutma kabiliyeti de bulunmaktadır. Bunu da karşılaştırmada dikkate alabilmek için, konutun klima ile ısıtılma maliyeti hesaplanmış ve bu değer diğer maliyetlere eklenerek, 2. kolondaki maliyetler hesaplanmıştır. İkinci kolonda da doğal gaz en ekonomik sistem olarak görünmektedir. Bu kolonda ısı pompasının durumunun iyileşmiş olduğu gözlenmektedir. Fosil yakıtların yakılması sonucu orta çıkan karbon dioksit ve azot dioksit gibi gazların bir sosyal maliyeti
25-27 Mıs 2006, Isparta vardır. Bu maliyet, üretilen kg karbon başına 70-140 arasında değişmekte ve gelecekteki her yıl 1 artmaktadır [7]. Üçüncü kolon fosil yakıt yakan sistemler için hesaplanan sosyal maliyeti de içermektedir. Bu kolonda doğal gaz yine en ekonomik görünürken, ısı pompası en ekonomik ikinci seçenek olarak orta çıkmaktadır. Çizelge 3. Alternatif Isıtma Sistemlerinin Ekonomik Analiz Sonuçları. Toplam Maliyetler Isıtma Sistemleri LCC, ($) LCC, Klimalı ($) LCC; Sosyal Maliyet ve Klima Dahil, ($) LPG 24402 30240 35992 Doğal Gaz 12007 17845 23597 Güneş Destekli Doğal Gaz 28668 34506 38341 Isı Pompası 30261 30261 30261 5. TARTIŞMA VE SONUÇLAR Ekonomik analiz sonuçlarından da görüleceği gibi, doğal gazla ısıtma ekonomik açıdan tartışmasız bir üstünlük göstermektedir. Ancak, buna iki konuda itiraz edilebilir. Bunlardan birincisi doğal gaz fiyatlarının gelecekteki projeksiyonu, ikincisi de dış maliyet olarak bizim hesaplarımızda dikkate almadığımız fosil yakıtlardan çıkan atık gazların eko-sistemlere etki ve küresel ısınma maliyetleridir. Doğal gaz fiyatları son yıllarda petrol fiyatlarındaki artışa paralel olarak artmaktadır. ABD de doğal gaz ın kuyubaşı fiyatları 2002 yılında 104 $/1000 m 3 iken, 2005 yılı sonunda 265 $/1000 m 3 olmuştur. Konut ısıtma için doğal gaz bedeli 278 $/1000 m 3 ten 452 $/1000 m 3 e yükselmiştir [8]. Aslında, artış tüketiciye daha az yansıtılmıştır. Ülkemize Rusya dan ithal edilen gazın bedelinin 263 $/m 3 olduğu Gazprom tarafından açıklanmıştır ve bu da 26.3 cent/m 3, ya da 0.355 YTL lik gaz bedelidir. Bu fiyatın geçen yıllardaki oluşum süreci bilinmemekle beraber son 20 yılda 3 kat arttığı söylenmektedir. Hükümet, son iki yıllık fiyat artışının çok küçük bir kısmını tüketiciye yansıtmıştır. Ülkemizde doğal gaz satış fiyatı yaklaşık 0.5 YTL dir. Ancak, bu fiyat sürdürülebilir değildir. Şu sıralarda ülkemizde birçok şehirde doğal gaz dağıtımı başlamış olup, bunu tüm kentlere ymak için EPDK tarafından dağıtım ihaleleri yapılma devam etmektedir. Bu süreçte
25-27 Mıs 2006, Isparta doğal gaz fiyatlarının artması beklenemez. Aksi taktirde, yeni doğal gaz dağıtımı yapılan yerlerde abone bulunamaz. Dağıtım şebekelerinin ve abone yazılımının tamamlanmasından sonra, petrol fiyatlarının bugünkü seviyesinde kalması varsımıyla, doğal gaz fiyatlarının 1YTL seviyesine çıkması beklenmelidir. Öte yandan, petrol fiyatlarının artması sonucunda daha fazla bir artış beklenmelidir. Ülkemizde ve Avrupa da devletin akaryakıt üzerinden çok büyük dollı vergiler sağladığı bilinmektedir. Şimdiyedek doğal gazda böyle bir yaklaşım, ülkemizde doğal gazın yılma süreci olması dolısıyla, gerçekleşmemiştir. Doğal gaz fiyatının iki yıl sonra iki misline çıkması durumunda, LCC 12007 $ dan 18507 $ a yükselmekte, soğutma ve sosyal maliyetler işin içine katılınca ısı pompası ile nı maliyete gelmektedir. Metreküp başına bir YTL den daha yüksek bir doğal gaz fiyatı, ısı pompasını daha ekonomik hale getirebilir. Bu çalışmada, toplam dış maliyet değil de, sadece sosyal maliyet esas alınmıştır. Bu da büyük ölçüde sağlık, malzeme, tarım gibi konuları kapsamaktadır. Kaçınma veya vazgeçme maliyeti olarak bilinen (avoidance cost) maliyet dikkate alınmamıştır. Vazgeçme maliyeti de ekosistemlere ve küresel ısınma etki olarak tanımlanabilir. Literatürde, bu maliyetin sosyal maliyetin iki katı olduğu görülmektedir [9]. Bu değerler de hesaplamalara katılırsa, bir fosil yakıt olan doğal gazın temelde maliyetinin ucuz olmadığı ve ısı pompasına göre az farkla da olsa, daha az ekonomik olduğu söylenebilir. Öte yandan, bu çalışmada ısı pompasının tasarımı tepe yükü üzerine yapılmıştır. Aslında, daha küçük kapasiteli, örneğin 15 kw lık bir ısı pompası seçilebilir. Istanbul da tepe yükünü oluşturan gün sısı 15 i geçmeyebilir. Bu günlerde yapılacak elektrikli ek ısıtmla, konut için yeterli ısı sağlanabilir. Bu taktirde, hem ilk yatırım, hem de kullanılan güç düşeceği için, bu şekilde iyi tasarlanmış bir ısı pompasının maliyeti de önemli ölçüde düşecektir. Sonuç olarak bakıldığında, tüketiciler bugünü yaşarlar ve kısa dönem çıkarlarını gözetirler. Bu açıdan baktığımızda, doğal gaz bugünün koşullarında ısınma için en ekonomik çözüm olarak görülmektedir. Ancak, uzun dönemde dış maliyetleri de dikkate aldığımızda, toplam maliyet açısından en ekonomik çözüm ısı pompası olarak orta çıkmaktadır.
25-27 Mıs 2006, Isparta 6. KAYNAKLAR 1. Nalıncıoğlu B., 2000. Konutlarda LPG, Jeotermal Enerji ve Güneş Enerjisi ile Isıtma Sistemleri, İTÜ, Petrol Müh. Böl. Bitirme Çalışması, Istanbul. 2. Satman A. ve Altun G., 1991. Konut Isıtmacılığında Doğal Gazın Kullanım Potansiyeli, Enerji ve Tabii Knaklar Bakanlığı 9. Enerji ve Enerji Tasarrufu Semineri, Istanbul. 3. Serpen U. 1997. Isparta Hava Kirliliğinin Çözümünde Doğal Gaz ve Jeotermal Enerji, Isparta Hava Kirliliği ve Doğalgaz-97 Kongresi, Isparta 27-29 Kasım. 4. Valentin Energie Software, Tsol Professional 4.3, 2005. 5. Satman A., 2006. Kişisel Görüşme, İTÜ Petrol ve Doğal Gaz Müh. Böl., Istanbul. 6. Lund J.W., Lienau P.J. and Lunis B.C., 1998. Geothermal Direct-Use Engineering and Design Handbook, Geo-Heat Center Oregon Institute of Technology, Klamath Falls, Oregon. 7. Clarkson R. and Deyes K., Social Cost of Carbon Emissions, 2002. Government Economic Service Working Paper 140, UK. 8. Energy Information Administration, 2006. Natural Gas Monthly, February, pp.8. 9. European Comission Community Research, 2003. External Costs Research Results on Socio-Environmental Damages due to Electricity and Transport, pp. 13.